驯化对谷子-根际微生物互作机制影响的进展与展望

根际微生物可赋予植物新的抗逆性,其群落结构及生态功能的变化也体现了作物对环境变化的适应能力。驯化影响作物的遗传多样性、生理性状及其代谢产物,进而会对根际微生物群落组成与功能产生作用。目前,对于作物驯化的研究多关注植物遗传多样性与植物表型和生理特性之间的相互关联及影响机制,微生物在作物驯化过程中的作用及其与植物互作机制的探索还处于起步阶段。为此,本文首先对驯化过程在禾本科作物根际微生物群落构建中的作用进行了回顾,针对起源于中国的重要旱作C4模式作物谷子,系统总结了谷子的驯化过程及其对谷子生长、生理性状和根际微生物的影响,以及驯化对谷子根际微生物间互作和谷子与微生物互作的作用机制,以期为恢复农田生态系统中的作物-微生物有益关系提供科学依据。

马里亚纳海沟共培养细菌多样性动态变化及潜在微生物互作关系

马里亚纳海沟是世界已知最深的海沟,其寡营养、高压、低温、低氧等极端的深海环境孕育出独特的细菌群落结构及多样性特征。选取寡营养培养基对马里亚纳海沟海水及表层沉积物分别进行液体共培养,并在不同培养阶段取样进行高通量测序,分析细菌群落结构组成及其多样性的动态变化,探讨微生物之间可能的互作关系。研究结果表明:液体共培养样品中一共检测到19个门、34个纲、76个目、131个科、227个属的细菌,其中变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为优势菌群,其次为厚壁菌门(Firmicutes);与其他样品相比,1000米海水样品中细菌群落的多样性最高,并且蓝细菌门(Cyanobacteria)具有更高的相对丰度。共培养样品中细菌丰富度、多样性、群落结构均随培养时间而改变,其中共培养中期样品的细菌多样性较高;表层沉积物样本中,盐单胞菌属(Halomonas)可能由于较强的竞争能力在共培养后期占据优势地位。基因功能预测与代谢通路富集结果显示,随着共培养时间的增加,微生物生长相关的代谢通路丰度明显下降,而与互作相关的代谢通路丰度明显增加。共培养样品检测到的细菌多样性远高于单独分离培养的多样性,仅有少量菌属为单独分离培养与共培养样品均检测到的共有属。综上所述,马里亚纳海沟细菌群落中存在竞争、互利共生的相互作用,共培养法有利于揭示细菌间的互作关系。研究为深渊及深海等极端环境下微生物生态系统组成及维持奠定了理论基础,也为进一步研究极端微生物的生存策略提供了科学指导。

植物根际的微生物互作及其在植物病害生物防治中的应用

介绍了在植物根际的微生物互作及其在生物防治中的应用现状。重点讨论了细菌生防因子与植物细菌和真菌病原物间的互作 ,真菌生防因子与原生动物、植物细菌和真菌病原物间的互作 ,以及根际微生物对植物生长的促进作用及多个生防因子的协同作用等。此外本文还简述了不同互作下的行为模式 ,如共生、抗生。

Ca^(2+)对植物——微生物互作反应的调控

植物对微生物信号接收、传递及应答的研究是当前植物———微生物互作的分子生物学领域中最具吸引力的课题之一 ,Ca2 +是迄今为止唯一被证实的植物细胞内信号。大量研究表明 ,Ca2 +也参与了植物———微生物互作的信号传递。近 15年来 ,随着细胞生物学、生物化学、分子生物学研究技术的飞速发展 ,人们对Ca2 +在植物———微生物互作中生理意义的认识大为加深。从Ca2 +信号的研究方法、Ca2 +在植物抗病防卫反应中的作用、Ca2 +在植物———微生物共生关系中的作用及Ca2

一氧化氮在植物发育及植物–微生物互作中的作用机制研究进展

一氧化氮(NO)作为高活性信号分子,是调控植物生长发育的关键因子。NO可提高植物对非生物胁迫及生物胁迫的抗性,增强植物的免疫能力。最新的研究表明,NO在植物根系与微生物的互作过程中发挥着重要作用,NO能够促进植物根系与根瘤菌及丛枝菌根真菌形成共生体,从而提高植物对土壤氮磷养分的获取。NO作为信号物质调控植物对生物胁迫和非生物胁迫抗性的主要机制有:1)NO与活性氧系统互作,调节活性氧的水平,缓解氧化应激反应对植物的伤害;2)NO通过蛋白质的翻译后修饰,对植物免疫及抗逆过程进行调节;3)NO与多种植物激素互作,参与激素对植物生长发育的调节过程。而且NO可促进共生体的形成及发育相关基因表达,抑制免疫基因表达,通过NO与植物球蛋白(phytoglobin)的循环维持共生体的氧化还原水平及能量状态,从而促进植物-微生物共生关系。以往关于NO的研究主要集中在前3个方面,有关NO在植物-微生物互作中的作用机制的研究较少,NO参与植物-微生物互作机制的研究亟待加强。揭示NO增强植物抗逆性及其调节根系发育的机制,深入探究NO调控植物-微生物互作的机理,对于提高集约化作物生产体系中养分利用效率和作物生产力具有重要的理论与实践意义。

水稻根际芽孢杆菌抗砷胁迫作用及其微生物机制

砷甲基化过程作为微生物的砷抗性机制改变砷的毒性和移动性,对土壤砷污染控制有重要意义。砷抗性根际促生菌对砷胁迫下水稻生长产生积极影响,然而水稻根际菌的砷甲基化效率及其影响水稻砷胁迫的机制研究还较为缺乏。从砷污染稻田根际土中筛选出一株砷甲基化功能芽孢杆菌Bacillus sp.LH14,探究该菌株的砷甲基化效率、砷抗性和促生相关特性,以及菌株接种对土壤砷形态、水稻生长和根际微生物相互作用的影响。结果表明,菌株LH14具有砷甲基化和挥发能力,34 h内将三价无机砷转化为甲基砷的效率为54.9%,主要形态为二甲基砷和三甲基砷。LH14接种显著提高了土壤中砷甲基转移酶基因(arsM)丰度,增加土壤溶液甲基砷浓度,表明LH14参与了土壤砷形态转化。LH14能在砷胁迫下产生吲哚-3-乙酸(IAA),菌株浸染显著增加高砷条件下种子萌发率、根和芽长及生物量。接种LH14对砷污染土壤中水稻植株生长有促进作用,可能与根际有益菌(例如Burkholderiaceae和Gemmatimonadaceae)相对丰度增加有关。所以,水稻根际存在砷甲基化功能植物促生菌,接种该菌改变水稻根际砷形态,并能产生植物激素和富集根际有益菌从而直接和间接地促进水稻生长,有利于缓解水稻砷胁迫,为砷甲基化功能菌应用于砷污染土壤修复和缓解植物砷胁迫提供理论支撑。

基于微生物互作的新天然产物发掘研究进展

在自然界中,微生物以群落状态生存,通过物种内或物种间的相互作用,不断重塑生态关系来实现共同进化。这种相互作用促使微生物合成大量复杂的次级代谢产物作为通讯工具或者化学武器,来适应环境变化,这些小分子则是药物发现的重要源泉。微生物共培养技术通过模拟自然生态关系,激活沉默基因簇来促进新型天然产物的发现。综述基于不同共培养体系的微生物天然产物挖掘最新进展,重点介绍微生物之间的相互作用机制以及沉默基因簇激活的分子机制,为微生物天然产物的化学多样性挖掘提供参考。

植物与微生物互作过程中蛋白质响应的研究进展

与微生物共生是植物适应环境的重要策略,而其互作机制尚未被全面揭示。蛋白质作为生物学功能的执行者,在植物响应环境胁迫及与其他生物相互作用中担任重要的调控作用。简言之,微生物特有蛋白质决定了其是否可成为内生菌,而植物对微生物的免疫反应决定了感染是有害还是有利的。因此,分析共生生态中蛋白质代谢与调控,将有助于揭示植物与微生物共生的分子机制,进而为打造绿色农业及生态做研究储备。本文主要综述了内生菌入侵、逃逸宿主免疫系统后的定殖及共生过程中有关蛋白质的种类、功能及调控作用,为了解植物微生物种间互作机制并解析蛋白质在互作微生态中的调控作用提供参考。

微生物效应蛋白在植物-微生物互作中作用的研究进展

微生物效应蛋白在植物与微生物的相互作用过程中发挥种间的信息交流功能,起到重要的桥梁作用。它通过抑制植物受体诱导的免疫、调控植物基因转录、酶激活或抑制等方式为微生物侵染植物提供便利。不同类型微生物效应蛋白发挥的功能不同,作用方式和分子机制也不尽相同,且研究状况存在一定的差异,本研究通过回顾近些年来微生物效应蛋白的研究结果,对其在细菌、真菌、卵菌等病原菌及有益共生菌侵染宿主过程中的作用和分子机制进行总结,为植物-微生物相互作用机制深入研究提供相关理论依据。

叶际微生物及其与外界互作的研究进展

叶际微生物及其生存环境共同形成了一个复杂的生态系统。建立在纯种分离和纯培养技术基础之上的传统研究方法只能了解其中部分叶际微生物,但对物种组成、种群结构和生态学作用等方面的认识都比较片面。近年来随着分子生物学和生物信息学的进步,人们对叶际微生物总群落的分析逐渐揭示了叶际微生物组成的多样性及其特点,以及与外界互相作用的复杂性。研究表明,植物种类、地理位置和季节差异等都不同程度地影响着叶际微生物群落的构成。本文综述了近年来国内外叶际微生物群落结构组成及其与外界互作方面的研究进展,有利于加深对叶际微生物的了解,也有助于深入理解叶际微生物与植物生长和植物病虫害防治的关联关系。

共生功能体的微生物组组成、组装及微生物间互作研究进展

本文介绍了植根于共生理念和关系中的共生功能体(宿主—相关微生物组)概念,系统评述了共生功能体相关微生物组的组成、组装及其微生物间的互作。基于共生功能体,宿主通过自身具有的抗性和耐受性,可影响微生物共生体在共生连续体中的位置,降低互作的负面效应。宿主进化和共生功能体能主动影响寄生性共生体的适合度,从而出现反向适应。虽然宿主微生物组对宿主生物学、生态学和进化中的中心作用已得到普遍重视,但涉及功能的研究较少。最近提出的生态—共生功能体新概念对一个物种共生功能体的传统认知提出了挑战。此外,共生功能体的研究已从生物科学向社会科学、哲学和生理学扩展。如果不考虑共生功能体在特定行为中的作用,可能会导致潜在的认知偏差,即共生功能体盲点。因此关注共生功能体盲点和对微生物组如何影响大脑和认知的研究,将为人类认知和社会行为的进化提供新见解。

影响微生物互作的重要基因研究进展:以大肠杆菌为例

微生物在自然界中广泛存在,微生物间的相互作用对群落结构和功能有重要影响。目前已经对微生物相互作用的机制给予了很大的关注,通过高通量测序技术和统计学分析方法的结合可以定位获得影响菌株互作的重要基因。为了深入研究微生物相互作用的遗传机制,本文以大肠杆菌(Escherichia coli)为例,综述了与大肠杆菌运动性、耐药性、营养物质吸收和代谢调节相关的基因在互作条件下发挥的作用,并从这几个方面分别阐述了大肠杆菌互作遗传机制。总之,这些基因在大肠杆菌与其他微生物互作中发挥重要作用,同时增强了对细菌互作机制的理解,为今后研究更复杂的微生物群落互作遗传机制奠定了理论基础。

miRNA介导植物-微生物互作中的调控作用及其研究进展

微生物与植物之间存在错综复杂的双向交流和串扰,植物与病原微生物互作直接影响寄主植物的生存状况,而植物和益生微生物互作则有利于宿主的生长和健康,共生微生物也会从中受益。不管是病原微生物还是有益微生物进入植物体内,植物miRNA都会迅速做出响应,同时微生物也可以产生miRNA样RNA(miRNA-likeRNA,milRNA)影响植物健康,可见miRNA(或milRNA)是植物与微生物互作过程中迅速响应的重要媒介分子,其内在机制研究近年来取得了许多进展。文中概述了植物-病原微生物、植物-益生微生物互作中miRNA的调控作用,重点阐述了植物miRNA在植物-病原微生物互作过程中对寄主植物抗病性的调控作用和植物-益生微生物互作过程中对宿主植物生长发育及代谢的调控,以及真菌milRNA对寄主植物的跨界调控作用。

根际微生物影响因素及其与植物互作研究进展

植物根际是植物与土壤互作的界面,定殖的微生物群落结构复杂,功能多样.植物在所有生长阶段均通过根际与土壤及其微生物进行复杂互作,环境与植物根际分泌物在很大程度上驱动根际微生物群落的变化.根际微生物与植物互作产生的复杂生态效应是土壤生态学研究的热点.综述了根际微生物群落的主要驱动因素,阐明了根际微生物增强植物营养吸收、抗病性、抗逆性的主要机制以及挥发性有机物介导的互作相关研究,以期明确根际微生物群落组装以及植物根际微生物互作机制及其生态效应,为农林业生产及生态文明建设提供参考.

植物与微生物的互作和微生物群落管理研究进展

从根系分泌物对微生物的影响,微生物对植物和根系分泌物的影响及微生物群落的管理三方面介绍了该领域的研究进展。

蛋白磷酸化修饰在植物-病原微生物互作中的作用研究进展

蛋白磷酸化修饰是植物细胞信号调控的普遍机制。植物-病原微生物互作过程中,关键调控蛋白的磷酸化状态影响免疫信号的激活。多种病原微生物通过干扰宿主蛋白的磷酸化状态攻击免疫系统,以提高致病性。该文对植物免疫调控过程中关键元件的磷酸化修饰及其在免疫信号中的调控作用进行了综述。研究植物-病原菌互作过程中关键蛋白的磷酸化修饰,有助于深入探讨植物-病原微生物互作的分子机理。该文将为寻找广谱抗病的新途径提供理论依据。

植物促生微生物对枫香叶色素组成和根际微生物群落的影响

【目的】在枫香根际接种植物促生微生物(PGPM),研究PGPM对土壤理化性质和枫香叶色的影响以及对枫香根际微生物群落组成结构和多样性特征的改变,探明外源PGPM对植物和土壤微生物的影响。【方法】以句容市句容林场长势一致的7年生枫香为对象,通过田间接种试验并利用Illumina MiSeq高通量测序技术研究接种黏质沙雷氏菌(NJ2D)、摩西斗管囊霉(BJ04)对枫香根际土壤理化性质、叶色参数及根际土壤微生物群落结构和多样性特征的影响。【结果】(1)处理组的枫香根际土壤全氮、全磷、土壤有机质、有效磷含量、土壤含水率(%)和土壤pH较对照均显著提高(P<0.05);(2)单接种BJ04菌剂的枫香叶片中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均较对照显著提高(P<0.05),而双接种NJ2D+BJ04菌剂枫香叶片的花青素含量显著提高(P<0.05);(3)对照与处理组的枫香根际微生物多样性也存在显著差异(P<0.05),其中,单接种NJ2D、BJ04和双接种NJ2D+BJ04菌剂的枫香根际细菌的OTU(操作分类单元)数量较对照均显著增加(P<0.05),而丛枝菌根真菌(AMF)的OTU数量较对照均显著降低(P<0.05);(4)根际微生物高通量测序结果显示,放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门和芽单胞菌门为枫香根际土壤中主要优势细菌菌群;球囊霉属、根生囊霉属和Dominikia为枫香根际土壤中主要AMF的优势菌群。接种处理后,枫香根际的酸杆菌门、绿弯菌门和浮霉菌门的物种丰度较对照均显著减小(P<0.05),而变形菌门和放线菌门的物种丰度较对照则显著增加(P<0.05)。【结论】接种解磷菌、丛枝菌根真菌以及复合菌剂NJ2D+BJ04均可改善土壤微环境,并对枫香秋季叶色变化产生影响。

秸秆添加对土壤微生物–根系形态介导的番茄磷吸收的影响

【目的】研究了添加秸秆后土壤微生物(包括解磷微生物)丰度、磷有效性的动态变化,以及作物根系的生长发育特征对作物磷吸收的影响。【方法】以番茄(Solanum lycopersicum)为供试作物进行田间试验,设置添加秸秆和不添加秸秆对照两个处理,在番茄移栽后第15、30及45天,测定了番茄地上部生物量、磷含量和根系形态,同时测定了土壤微生物数量(细菌、真菌、解磷微生物)、微生物生物量磷和速效磷含量,分析了微生物-根系–作物磷吸收的关系。【结果】添加秸秆提高了成熟期番茄的地上部生物量,显著提高了叶片和地上部的磷吸收量,地上部(叶+茎+果实)总磷吸收量较不加秸秆番茄增加21.8%。与无秸秆对照处理相比,添加秸秆处理提高了土壤细菌以及具pho D,pho C和pqq C功能基因的解磷微生物丰度,增加了微生物量磷。添加秸秆处理降低了移栽后15天番茄根系生物量和组织密度,增加了根系比根长,降低了移栽后15到30天的番茄根系生长。番茄移栽后第30天到45天,土壤细菌、真菌丰度下降,微生物量磷降低,丰富的解磷微生物以及微生物量磷降低介导的磷活化,驱动番茄根系生长加快,比根长增加,根系直径降低。根系生长与土壤有效磷(OlsenP)相关性显著。【结论】添加秸秆初期微生物增生导致番茄根系生长缓慢,后期微生物量磷的降低和解磷微生物对磷的活化促进细根的快速伸长。秸秆还田激发微生物量磷活化协同根系高效磷吸收特征,促进成熟期番茄地上部磷吸收的增加。

碳对微生物-根系介导的蔬菜作物磷吸收的影响

【目的】碳是微生物代谢活动的能量来源,解析碳驱动的微生物磷周转对根系/根际属性以及作物磷吸收的影响,对探索提高磷利用效率的根际调控措施具有重要的指导意义。【方法】以绿叶蔬菜上海青(Brassica chinensis L.,Xiaqing 3)为供试作物进行盆栽试验,供试碳源为葡萄糖。设置添加葡萄糖(+G)和不添加葡萄糖(−G,对照)两个处理,在添加葡萄糖后第7天和第21天,测定土壤微生物量磷与Olsen-P含量、根际酸性磷酸酶活性以及柠檬酸和苹果酸含量、根系形态(生物量、根冠比、根长、根系直径、比根长和根系组织密度)与根际生理(酸性磷酸酶、柠檬酸和苹果酸)指标和作物磷吸收量。【结果】添加葡萄糖后第7天,土壤微生物量磷增加,Olsen-P含量降低;上海青根系生物量和根冠比显著高于对照,另外,与不加葡萄糖处理相比,添加葡萄糖导致上海青总根长降低33%,根系平均直径增加27%,比根长降低46%,根际柠檬酸含量增加106%。从第7天到第21天,添加葡萄糖处理土壤微生物量磷降低,Olsen-P含量增加,上海青根系生长速率显著提高。葡萄糖添加后第21天,添加葡萄糖处理土壤Olsen-P含量高于对照土壤;与不加葡萄糖的处理相比,根际酸性磷酸酶和柠檬酸的分泌降低,上海青根系总根长增加,其相对增加量为31%。添加葡萄糖对第7天和第21天上海青地上部磷吸收没有显著影响。【结论】添加葡萄糖提高了前期(添加葡萄糖后第7天)根际微生物量磷,降低了Olsen-P含量,促进根际柠檬酸的分泌满足作物生长对磷的需求。后期(添加葡萄糖后第21天),微生物量磷的降低促进土壤有效磷含量的增加,刺激根系快速伸长。微生物介导磷周转诱导作物调节根系形态和根际分泌物响应土壤磷环境的变化,维持地上部磷营养。

生长素在微生物调控根发育过程中的作用

很多微生物通过分泌生长素和生长素前体与植物建立了有益的关系并改变植物根系的形态结构,此外,微生物分泌的其他代谢产物也能改变植物生长素信号通路。因此,生长素和生长素信号通路在微生物调控植物根系发育的过程中起着至关重要的作用。该文从生长素合成、生长素信号和生长素极性运输3个方面总结了生长素在微生物调控植物根系发育过程中的作用,主要包括微生物增加了植物内源生长素的含量、增强了生长素的信号和调控PIN蛋白的表达水平,进而如何调控植物生理和分子水平来适应微生物对其根系的改变,为进一步开展该方面的研究奠定了基础。